Применение пьезоэлектриков - монокристаллов в промышленности

Кварцевый резонатор, жарг. кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.

Принцип действия.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски. Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний. При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла. Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре. Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура

Зажига́лка — портативное устройство для получения огня. Зажигалка в зависимости от используемого топлива может быть газовой или бензиновой. Кроме этого, в зажигалках используются различные типы поджига — кремнёвый, пьезоэлектрический.

Пьезозажигалка не нуждается в источниках энергии или других расходных материалах. Имеет в своей конструкции пьезоэлектрик. Даёт несколько мощных искр по ходу кнопки в одну и в другую сторону.

Пироэлектрические свойства.

Выполнили: Арсеньева Е., Носова Е., Белолипецких С.

Основные понятия.

Пироэлектричество — явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры, например: при нагревании, трении, облучении или даже примитивном натирании.

Пироэлектрики (от др.-греч. πῦρ — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.

Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при деформировании. Таким образом, все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическим эффектом. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов. Ниже точки Кюри пироэлектрики являются сегнетоэлектриками.

Объяснение эффекта. Существование спонтанной поляризации, то есть несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов, обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов. Существует эффект, обратный пироэлектрическому: если пироэлектрик поместить в электрическое поле, то его поляризация изменяется, что сопровождается нагреванием или охлаждением кристалла. Изменение температуры при этом прямо пропорционально напряжённости электрического поля.

Физические основы пироэлектричества. Пироэлектричество - одно из интереснейших физических явлений, наблюдаемых в кристаллах. Достаточно сказать, что в различные периоды своей научной деятельности им занимались такие выдающиеся ученые, как В. Рентген, В. Фогт, П. Кюри, А. Эйнштейн, Э. Шредингер, М. Борн и др. Вместе с тем долго считалось, что оно не имеет практической ценности. Но в 60-70-е годы XX века интерес к пироэлектричеству столь сильно возрос, что только за 1970-1972 годы была опубликована четверть всех работ, которые вообще увидели свет за 2300 лет истории явления (первое упоминание относится к 315 году до н.э.), а в последующем количество публикаций удваивалось каждые три года.

Такой интерес в первую очередь был вызван открытием соединений (в основном это сегнетоэлектрики), в которых пироэффект необычайно силен и, как оказалось, может быть успешно использован для обнаружения и измерения потоков электромагнитного излучения в широком спектре частот. Кроме того, бурное развитие сегнетоэлектричества потребовало привлечения экспериментальных методик, позволяющих получить надежную информацию о поведении их спонтанной поляризации в широком интервале температур, в чем пироэлектрические методы исследования оказались вне конкуренции.

Кроме того, благодаря относительной простоте пироэлектрический эффект позволяет наглядно показать действие основных законов кристаллофизики, рассматривающих взаимосвязь симметрии кристаллов и физических явлений, продемонстрировать взаимодействие различных свойств кристаллов, то есть в минимальной степени затронуть те вопросы, которые не рассматриваются в школьных программах по физике.

Все пироэлектрики делятся на два класса. Первый - это линейные пироэлектрики, у которых поляризация линейно зависит от поля, а ее направление не может быть изменено внешним электрическим полем. К ним относятся кристаллы турмалина, сахарозы, сульфата лития моногидрата, канкринита, резорцина и др. Второй класс - это сегнетоэлектрики, материалы, у которых поляризация нелинейно зависит от поля (зависимость в форме петли гистерезиса) и ее направление может быть изменено внешним электрическим полем. Типичными представителями этого класса являются монокристаллы титаната бария, ниобата лития, триглицинсульфата, сегнетовой соли, дигидрофосфата калия.Теперь можно дать окончательное определение пироэффекта, отражающее его сущность: пироэлектрический эффект - это изменение спонтанной поляризации диэлектрического кристалла при однородном изменении его температуры.

Но оказывается, что даже для одного и того же кристалла при определенной температуре значение пирокоэффициента может быть разным в зависимости от условий, в которых проводится измерение.